오스트리아 과학 아카데미 (Austrian Academy of Sciences (OeAW)) 의 분자 바이오테크놀로지 연구소 (Institute of Molecular Biotechnology (IMBA)) 의 연구팀이 사람의 유도 만능 줄기 세포 (induced pluripotent stem cell (iPSC)) 를 이용한 3차원 세포 배양 (3D cell culture) 을 통해 작은 미니어처 뇌를 만드는데 성공했다고 최신자 Nature 에 발표했습니다.
연구의 리더인 유르겐 크노블리흐 박사 (Dr. Jurgen Knoblich, Institute of Molecular Biotechnology ) 와 그의 동료 연구자들은 인간의 유도 만능 줄기 세포를 흔히 볼 수 있는 세포 배양 방식인 평면 배양 방식 - 한층으로 세포가 증식하면서 자라는 것으로 우리가 알고 있는 조직과는 다른 형태 - 로 자라는 대신 실제 조직과 유사하게 3차원 구조로 배양하는 새로운 방식을 개발했습니다.
이들이 선택한 방법은 조그만 신경 외배엽 (neuroectoderm) 조각들을 산소와 영양분이 공급될 수 있는 특수한 겔 (gel) 속에 넣어서 배양하는 것으로 일단 어느 정도 자란 후에는 배양 조직은 회전 생물 반응기 (spinning bioreactor) 로 옮겨져 배양되었습니다.
15 일에서 20 일이 지난 후 이 배양 조직은 조그만 장기 비슷한 수준으로 자라났는데 연구팀은 이를 대뇌 유시 기관 (cerebral organoid) 라고 불렀습니다. 이 배양 조직은 신경 상피 (neuroepithelia) 가 연결된 것으로 뇌실 (cerebral ventricle) 을 연상 시키는 가운데 액체로 된 빈공간을 에워싸고 있습니다. 20 - 30 일 정도 지난 뒤 배양 뇌조직은 신경계의 여러 조직 - cerebral cortex (대뇌피질), retina (망막), meninge (수막), choroid plexus (맥락총) - 으로 분화했습니다.
2 달이 지난 후 이 미니어처 뇌는 최대 크기에 도달했지만 회전 생물 반응기 안에서만 생존이 가능했으며 최대 10 개월 정도 살아남았습니다. 수 밀리미터 이상 자랄 수 없는 이유에 대해서 연구팀은 이 유사 뇌조직이 혈관 시스템을 포함한 순환계를 가지고 있지 않기 때문으로 보고 있습니다. 사실 이는 인공 장기를 만들어 내는 데 있어 가장 큰 장애 가운데 하나라고 하겠습니다. 혈액 순환 시스템 없이 단순 확산에 의해 산소와 영양분을 공급 받고 노폐물과 이산화탄소를 배출할 수 있는 크기는 한계가 있기 때문이죠.
(이번 연구에서 배양한 미니어처 뇌
A cross-section of an entire organoid showing development of different brain regions. All cells are in blue, neural stem cells in red, and neurons in green. (Credit: Copyright IMBA/ Madeline A. Lancaster))
아무튼 뇌는 보통 이식 대상 장기가 아니기 때문에 장기 이식 관련해서는 기대할 만한 부분은 없지만 대신 다른 부분에서 광범위한 응용이 기대되고 있습니다. 예를 들어 쥐 대신 사람 뇌를 흉내낸 미니어처 뇌를 이용해서 약물 실험 및 동물 실험을 한다거나 혹은 뇌와 관련된 연구 모델을 구축하는데 도움을 받을 수 있습니다.
연구팀은 소뇌증 (microcephaly) 이 있는 환자의 피부에서 iPS cell 을 얻은 후 이를 이용해 미니 뇌를 만들었습니다. 그 결과는 예상했던 대로 보통보다 작은 크기의 미니 뇌가 얻어졌습니다. 이를 분석한 결과 연구팀은 소뇌증이 있는 경우 뇌세포가 조기에 분화하는 것이 아닌가 하는 간접적인 정보를 얻을 수 있었다고 합니다. 이와 같이 여러 질환의 메카니즘 연구에 있어 앞으로 이 미니어처 뇌가 여러가지 역할을 할 수 있을 것으로 기대할 수 있습니다.
이 미니 뇌가 생각까지 할 수 있는지는 알 수 없지만 뇌세포의 활동이 감지되기는 했다고 합니다. (아래 동영상 ) 혹시 미래에 진짜 생각까지 할 수 있는 뇌가 배양기에서 탄생한다면 어떤 일이 발생할지 궁금해 지는 부분입니다.
참고
Journal Reference:
- Madeline A. Lancaster, Magdalena Renner, Carol-Anne Martin, Daniel Wenzel, Louise S. Bicknell, Matthew E. Hurles, Tessa Homfray, Josef M. Penninger, Andrew P. Jackson, Juergen A. Knoblich. Cerebral organoids model human brain development and microcephaly. Nature, 2013; DOI: 10.1038/nature12517
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